リラクタンスモーター

リラクタンスモーターは、強磁性ローターに非永久磁極を誘導するタイプの電気モーターです。ローターには巻線がありません。磁気抵抗によってトルクを生成します。

リラクタンス モーターのサブタイプには、同期、可変、スイッチ、可変ステッピングなどがあります。

リラクタンスモーターは低コストで高い電力密度を実現できるため、多くの用途で魅力的です。欠点としては、低速で動作させたときにトルクリップル（1回転中の最大トルクと最小トルクの差）が高くなることと、トルクリップルによる騒音があることが挙げられます。^[1]

21 世紀初頭まで、設計と制御の複雑さにより、その使用は制限されていました。^{[議論中–議論]}理論、コンピュータ設計ツール、および制御用の低コストの組み込みシステムの進歩により、これらの障害は克服されました。マイクロコントローラは、リアルタイム コンピューティング制御アルゴリズムを使用して、ローターの位置と電流/電圧のフィードバックに応じて駆動波形を調整します。大規模集積回路が開発される前は、制御電子機器は法外に高価でした。

ステータは、巻線界磁ブラシ付き DC モータと同様に、複数の突出した (突極)電磁石極で構成されています。ローターは、磁気抵抗によって突極として機能する複数の突起を持つ積層シリコン鋼などの軟磁性材料で構成されています。スイッチ リラクタンス モータの場合、ローター極の数は、通常、ステータ極の数よりも少なく、これによりトルクリップルが最小限に抑えられ、すべての極が同時に一列に並ぶ (トルクを生成できない位置になる) ことが防止されます。

ローター極が 2 つの隣接するステーター極から等距離にある場合、ローター極は「完全に非整列の位置」にあると言われます。これは、ローター極の磁気抵抗が最大になる位置です。「整列位置」では、2 つ (またはそれ以上) のローター極が 2 つ (またはそれ以上) のステーター極と完全に整列し (つまり、ローター極がステーター極に完全に面している)、磁気抵抗が最小になる位置です。

ステータ極が通電されると、ロータ トルクは磁気抵抗を減少させる方向に作用します。したがって、最も近いロータ極は、位置ずれした位置からステータ磁界と位置が合うように引っ張られます (磁気抵抗が小さい位置)。(これは、ソレノイドで使用されるのと同じ効果、または磁石で強磁性 金属を拾うときに使用されるのと同じ効果です。) 回転を維持するには、ステータ磁界がロータ極より先に回転して、ロータを常に「引っ張る」必要があります。一部のモータ バリアントは、3 相 AC電源で動作します(以下の同期磁気抵抗バリアントを参照)。最新の設計のほとんどはスイッチ型磁気抵抗タイプです。これは、電子整流によって、モータの始動、速度制御、スムーズな動作 (低トルクリップル) に大きな制御上の利点が得られるためです。

モーターの各相巻線のインダクタンスは位置によって変化します。これは、磁気抵抗も位置によって変化するためです。これは制御システムの課題となります。

同期リラクタンス モーター (SynRM) には、ステータ極とローター極の数が等しくなっています。ローターの突起は、内部磁束「バリア」、つまり磁束をいわゆる直接軸に沿って導く穴を導入するように配置されています。極の数は偶数でなければならず、通常は 4 または 6 です。

ローターは電流伝導部品なしで同期速度で動作します。ローター損失は誘導モーターに比べて最小限ですが、通常はトルクが低くなります。^{[2] [3]}

同期速度で始動すると、モーターは正弦波電圧で動作できます。速度制御には可変周波数ドライブが必要です。

高出力 SynRM には通常、ネオジムやジスプロシウムなどの希土類元素が必要です。しかし、2023 年の研究では、それらを置き換えるために二相磁性積層板の使用が報告されています。このような材料を磁化すると、ローター極として機能する高度に磁化された領域が作成され、他の領域は非磁性 (非透過性) のままになります。高温窒化を使用して強度を高めたある実験では、二相ローターは 14,000 RPM で 23 kW を出力し、電力密度は 1.4 kW、ピーク効率は 94% でしたが、同等の従来のローターは 3.7 kW を出力しました。非透過性のポストとブリッジを使用することで、それらをより大きく強くすることができ、ローターとステーターの磁束線間の干渉を減らすことができます。1 つの制限は、磁化が従来のモーターの 2 T と比較して1.5 Tに制限されていることです。 ^{[4] [5] [6]}

スイッチドリラクタンスモーター（SRM）は、リラクタンスモーターの一種です。ブラシ付きDCモーターとは異なり、電力はローターではなくステーター（ケース）の巻線に供給されます。これにより、可動ローターに電力を供給する必要がなくなり、整流子が不要になるため、機械設計が簡素化されます。ただし、スイッチングシステムが異なる巻線に電力を供給し、トルクリップルを制限する必要があるため、電気設計は複雑になります。[ ^{7] [8]これが}ステッピングモーターの一種であるかどうかについては、情報源によって意見が分かれています。^[9]

最もシンプルな SRM は、あらゆる電気モーターの中で最も製造コストが低くなります。産業用モーターは、ローター巻線や永久磁石がないため、コストがいくらか削減される可能性があります。一般的な用途としては、ローターを長期間静止させておく必要があるアプリケーションや、整流が不要なため鉱業などの爆発の危険性がある環境などがあります。

SRM の巻線は互いに電気的に分離されているため、誘導モータよりも高い耐障害性が得られます。最適な駆動波形は、回転子の変位に対する非線形トルクと、巻線の位置に大きく依存するインダクタンスのため、純粋な正弦波ではありません。

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